噬菌體是環(huán)境中普遍存在的一類專門侵染細(xì)菌的病毒。此前，科學(xué)家對(duì)噬菌體能否抑制土壤中的病原菌不甚了解。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月2日，英國《自然—生物技術(shù)》發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的研究成果。該成果揭示，噬菌體不僅可以“專性獵殺”和“精準(zhǔn)靶向”土傳青枯病的病原菌，降低其生存競(jìng)爭(zhēng)能力，還能重新調(diào)整根際土壤菌群結(jié)構(gòu)，恢復(fù)群落多樣性，增加群落中拮抗有益菌的豐度。

這篇論文為一幅繪制了15年之久的土壤根際菌群“作圖”提供了一種作案。

論文共同通訊作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授沈其榮告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“作為土壤肥料工作者，我們的團(tuán)隊(duì)早在15年前就把解決土傳病害這一國家重大需求列為重要研究方向，力爭(zhēng)解決這一難題。”

“童年”環(huán)境決定作物“成年”健康

土壤、作物、病原菌、微生物，這是長期以來盤旋在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授韋中腦海中的4個(gè)關(guān)鍵詞。作為論文共同第一作者和共同通訊作者，韋中在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，即使是病害暴發(fā)嚴(yán)重的田塊，也存在少量的健康植株，出現(xiàn)“田間斑塊化”現(xiàn)象。

這到底是由于局部區(qū)域土壤環(huán)境優(yōu)良，還是健康植株獲得了*的抗病基因？是土壤中病原菌數(shù)量的差異，還是健康土壤中有抑制病原菌生長的有益菌？對(duì)土壤及其中的微生物進(jìn)行“全面體檢”成了解開謎題的一個(gè)可能途徑。

可是，給土壤做“體檢”談何容易。土傳青枯病的致病菌青枯菌，在土壤中存活達(dá)10多年，可以侵染番茄、茄子、辣椒、煙草、生姜、花生等400多種植物，常導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收。

在沈其榮帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)將問題逐個(gè)分解，分步驟進(jìn)行各個(gè)擊破。

從“田間斑塊化”現(xiàn)象入手，團(tuán)隊(duì)成員、教授徐陽春和韋中設(shè)計(jì)了一個(gè)非破壞性根際土壤樣品連續(xù)采集裝置，實(shí)現(xiàn)了在田間條件下，對(duì)單株作物不同生育期根際菌群等特性的動(dòng)態(tài)跟蹤。

徐陽春介紹，研究發(fā)現(xiàn)是否發(fā)病主要取決于作物苗期接觸的土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能特征，而苗期病原菌的數(shù)量、土壤理化特性等不是主要決定因素。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

“通俗點(diǎn)講，也可以理解為‘童年’生長環(huán)境決定著作物‘成年’健康。”沈其榮說，這不僅指出了根際菌群對(duì)作物免疫的重要性，還為田間根際土壤菌群管理找到了抓手。

“相互制衡”才能和諧共存

根際是指受根系影響的土壤微域。“病原菌進(jìn)攻植物根系之前，必然要經(jīng)過根際菌群大本營。這個(gè)陣營中都有哪些微生物，它們?cè)诟墒裁础⑹窃趺垂ぷ鞯模恐挥袑⑦@些研究出來，才知道如何調(diào)控根際菌群。”韋中說。

隨后，他們以6種根際土著細(xì)菌為材料，組建簡單的合成菌群，探究了群落成員兩兩互作關(guān)系，即對(duì)抗型互作、便利型互作分別與作物抵御病原菌入侵能力之間的關(guān)系。

團(tuán)隊(duì)成員李梅介紹，便利型土著微生物群落促進(jìn)了病原菌的入侵，而對(duì)抗型土著微生物群落則抑制了病原菌的入侵。“土著微生物之間通過產(chǎn)生大量公共物品相互提供‘便利’，這也大大增加了病原菌獲取‘便利’的機(jī)會(huì)。相反，相互制衡的群落通過充分消耗環(huán)境中資源或者分泌大量抑菌物質(zhì)，有效制約了‘機(jī)會(huì)主義者’，也就能在一定程度上抑制病原菌的入侵。”這一成果發(fā)表于《生態(tài)學(xué)快報(bào)》。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成員借鑒生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能理論，建立了有益菌群營養(yǎng)資源競(jìng)爭(zhēng)利用網(wǎng)絡(luò)模型。論文合作者、荷蘭烏特勒支大學(xué)Alexandre Jousset博士介紹，他們發(fā)現(xiàn)資源利用連接度高和嵌套度低的有益菌群能更好地降低土傳青枯菌的入侵成功率，有益菌群與青枯菌資源利用重疊度又決定了青枯菌入侵的程度。這一工作發(fā)表于《自然—通訊》。

沈其榮認(rèn)為，這指明了根際菌群互作調(diào)控方向和調(diào)控機(jī)制，即“增加競(jìng)爭(zhēng)”，同時(shí)表明“相互制衡”的微生物群落社會(huì)才是和諧可持續(xù)的。

削弱病原菌競(jìng)爭(zhēng)能力

然而，在土傳病害高發(fā)區(qū)域，單一的綠色調(diào)控措施往往不穩(wěn)定，這導(dǎo)致農(nóng)戶選擇傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥和熏蒸等方法。韋中告訴《中國科學(xué)報(bào)》，這些方法在殺滅病原菌的同時(shí)也破壞了土壤正常的微生物群落，危及土壤微生物天然的抑病能力，這樣土傳病原菌二次侵染時(shí)往往造成更大的危害。

如何對(duì)癥下藥、“精確制導(dǎo)”，削弱土壤病原菌競(jìng)爭(zhēng)能力，成為團(tuán)隊(duì)要解決的下一個(gè)難題。

在論文共同通訊作者、英國約克大學(xué)Ville-Petri Friman博士醫(yī)學(xué)研究工作的啟發(fā)下，噬菌體通過高效裂解實(shí)現(xiàn)特異性侵染、協(xié)同進(jìn)化，動(dòng)態(tài)阻控病原菌的特性，進(jìn)入團(tuán)隊(duì)的視野。

他們從廣西、江蘇、浙江和江西不同地區(qū)分離到1000多株病原青枯菌，并篩選出能高效裂解病原菌的噬菌體；根據(jù)噬菌體的來源和侵染特性等，選擇了4株噬菌體為材料，組合成不同豐富度的噬菌體組合，好比噬菌體“雞尾酒”，以提高噬菌體療法的效果。通過溫室和大田研究，他們發(fā)現(xiàn)噬菌體組合能夠顯著降低青枯病的發(fā)生。

原來，噬菌體組合能殺滅根際病原青枯菌，使其數(shù)量顯著降低；組合多樣性越高，病原菌成功突變、抵御噬菌體的概率越低。即便有一些青枯菌成功突變、殘存了下來，但它們的生長顯著減緩，這說明它們與土壤中其他微生物競(jìng)爭(zhēng)的能力減弱，再次侵染作物根系的能力會(huì)下降。

然而，當(dāng)大量病原青枯菌被獵殺時(shí)，宿主相關(guān)微生物群落發(fā)生了什么變化？這種變化對(duì)宿主健康有利嗎？這是噬菌體“雞尾酒”療法必須回答的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和作用機(jī)制問題。

“這種影響是積極的。”團(tuán)隊(duì)成員王孝芳博士介紹，首先，青枯菌噬菌體不能侵染土壤中其他細(xì)菌，侵染特異性很強(qiáng)；其次，單獨(dú)接種噬菌體對(duì)土壤微生物群落擾動(dòng)很小，而且可以讓土壤群落多樣性恢復(fù)到原有水平；再次，細(xì)菌群落中那些競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的物種在群落結(jié)構(gòu)調(diào)整中獲得了優(yōu)勢(shì)，可能進(jìn)一步提高群落抑病能力。

12月2日，上述成果發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。

“我們的研究改變了土壤微生物菌群以往點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單兵作的模式，轉(zhuǎn)向構(gòu)建生態(tài)型的群體戰(zhàn)略體系研究；對(duì)于土傳病原菌，并非要‘趕盡殺絕’，而是使其與土壤有益菌良性互作，實(shí)現(xiàn)兩者的制衡，實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)的目標(biāo)。”沈其榮說